商发制造｜商用航空发动机总装智能制造集成创新与应用

【工业互联网研习社：构建工业互联网认知体系】

【导读】 近日，工信部公布2018年智能制造试点示范项目名单，中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司（简称“商发制造”）的商用航空发动机智能装配试点示范位列其中，这无疑肯定了商发制造在智能制造的探索与实践。面对全球范围内新一轮的科技与产业变革，商发制造深刻认识到智能制造将是公司落实创新驱动发展、实现研制模式转型升级以尽快赶超世界先进航空工业水平的关键举措，并提出了着力打造国内首个商用航空发动机智能工厂的战略规划。

商发制造是国产大涵道比商用航空发动机的总装交付中心，承担着航空发动机产品的制造、试验、测试、装配和试车任务，并最终交付满足设计要求和客户要求的产品。在全球范围内，具备完全独立研制民用大涵道比涡扇发动机能力的只有美国（通用电气、普惠公司）与英国（罗尔斯罗伊斯）两个国家。西方国家明确禁止出口相关技术。

作为我国大型客机发动机研制主体及主制造商的商发制造深刻认识到智能制造将是公司落实创新驱动发展、实现研制模式转型升级以尽快赶超世界先进航空工业水平的关键举措，并提出了着力打造国内首个商用航空发动机智能工厂的战略规划。并入选工信部2018年智能制造试点示范项目，公司在智能制造的探索，对于我国打造强劲“中国心”,助推“中国梦”意义重大。

商发制造秉承国家意志，自主研发商用航空发动机，作为创新驱动型企业，商发制造规划通过数字化、网络化、智能化工具，逐步建设创新的自主研制体系，实现产品数字化定义、数字化制造与数字化管理，促进异地协同设计与协同制造，最终提供商用航空发动机产品的卓越质量交付与客户体验。

智能制造战略规划构想

公司自2015年伊始即着手智能制造建设规划，并陆续通过国家和地区的智能制造专项项目，开展试点建设，以商用航空发动机某关键工序为实施载体，依据适航要求和航空发动机研制特点，以智能制造、业务并行、协同互助为出发点，应用先进的信息化技术、智能机器人技术、智能感知与决策技术、先进制造技术、高可信网络技术等，研制智能装配机器人，搭建异构DNC网络制造环境，以期逐步提高商用航空发动机试点工序的质量管控水平，构建商用航空发动机智能制造新模式。

围绕商发制造作为商发公司的总装交付中心，承担商用航空发动机产品的制造、试验、测试、装配和试车，并最终交付满足设计要求和客户需求的产品这一公司定位，商发制造提出实施智能制造战略的总体目标：

商发制造智能工厂的总体目标是围绕商用航空发动机工装/转接段/核心零部件加工、零组件/单元体/整机装配和零组件/核心机/整机试验测试三大核心业务，以产品全生命周期数字化和卓越绩效一体化管理体系为基础，以航空发动机产品及其关键零部件生产决策、过程控制智能化为目标，开展具备网络互连、人机交互、智能传感等特征的业务CPS建设，最终建成可持续满足顾客需求并实现卓越交付的现代化商用航空发动机智能工厂。

商发制造智能工厂总体目标的制定原则是充分满足中国制造2025定义的智能制造四大特征：以智能工厂为载体、以关键制造环节智能化为核心、端到端数据流为核心、网通互联为支撑。总目标对应的实施周期为2016~2025年，共分三个阶段，各阶段目标为：

基于统筹规划，分步实施的原则，商发制造在充分借鉴了RAMI4.0、中国《国家智能制造标准体系建设指南》等国内外智能制造标准模型后，结合自身的业务特点，提出了商发制造智能工厂的总体架构。该架构从上到下分别为企业层、商发制造云、业务CPS层和基础支撑层，各层级规划如下：

企业层 ：整个企业的管理业务层（企业门户），负责整个商发制造工厂的管理业务。

商发制造云 ：是商发制造的私有云，指整个智能工厂的资源共享云平台，包括了业务云服务和数据云服务两大类。

业务CPS层 ：车间级的信息物理融合制造系统（Cyber Physical System, CPS），分别实现商发制造的智能加工、智能装配、智能试验测试等业务。

基础支撑层 ：对业务CPS、商发制造云、企业层提供的一些支撑技术和规范，也包括一些共有的基础性资源和基础性建设。

商发制造的各项智能制造建设工作将依据上述阶段目标和总体架构稳步推进。

智能制造实践现状和效果

智能工厂的建设是需要大综合、大协作的复杂系统工程，智能工厂的建成及运行需要有强有力的管理体系及对应的通用基础平台来支撑。商发制造智能制造的实践现状主要体现在通用基础建设和智能制造试点建设量方面。在通用基础建设方面，在管理与技术体系建设上，商发制造致力于建立异地多职能协同工作体系及平台，通过流程、标准、规范、指导书、检查单及其相应的信息化载体实现对智能制造建设工作的有效管控。在信息化建设方面，公司已经建立了综合管理系统、项目管理系统、产品数据管理系统，目前正在建设数字化工艺管理系统、装配执行系统、试验信息综合管理系统、分布式数控管理系统、设备管理系统，未来还将建立生产线仿真系统、供应链管理系统、生产计划管理系统、物料管理系统等，旨在在设备层级、车间层级、企业层级及外部供应链层级建立支撑智能工厂运维的信息化系统。

2015年，公司申报的“商用航空发动机总装智能装配新模式”入选工信部2015智能制造专项项目，智能制造试点建设工作正式启动。该项目以商用航空发动机整机装配中低压涡轮安装为实施载体, 依据适航要求和航空发动机研制特点，研制智能装配机器人，搭建异构DNC网络制造环境，构建商用航空发动机协同平台、敏捷制造平台，初步建立商用航空发动机智能装配物联网。目前该项目中的大部件自动化对接技术、DNC网络互连技术、网络信息安全、装配系统等智能制造关键技术研究及基础条件建设工作正在开展，该部分涉及的信息化建设已纳入图的实际建设进程和规划中，后续将成为智能工厂的建设的重要支撑基础。

该项目的目标是以商用航空发动机整机装配中低压涡轮的安装为实施对象，通过构建管控一体化平台、设计制造一体化云平台、智能装配平台、敏捷运行支持平台、工业信息安全系统，初步形成商用航空发动机大数据和知识工程，建立商用航空发动机智能装配工程环境、体系、标准，实现航空发动机整机装配中低压涡轮的智能安装，解决低压涡轮安装难题，并提升装配的一致性、稳定性，达到产品研制周期缩短20%、生产效率提高20%、运营成本降低30%、一次装配不合格率降低10%、能源利用率提高4%的目标，探索一条全新的航空发动机智能制造新模式，提升商用航空发动机装配水平。

典型案例：商用航空发动机总装智能装配新模式

2015年6月，商发制造申报的“商用航空发动机总装智能装配新模式”项目经工信部批复立项，正式启动。该项目由商发制造牵头，上海工业自动化仪表研究院和上海钧工智能技术有限公司作为参研单位共同完成。

该项目的目标是以商用航空发动机整机装配中低压涡轮的安装为实施对象，通过构建管控一体化平台、设计制造一体化云平台、智能装配平台、敏捷运行支持平台、工业信息安全系统，初步形成商用航空发动机大数据和知识工程，建立商用航空发动机智能装配工程环境、体系、标准，实现航空发动机整机装配中低压涡轮的智能安装，解决低压涡轮安装难题，并提升装配的一致性、稳定性，达到产品研制周期缩短20%、生产效率提高20%、运营成本降低30%、一次装配不合格率降低10%、能源利用率提高4%的目标，探索一条全新的航空发动机智能制造新模式，提升商用航空发动机装配水平。

智能装配平台示意图

基于商发制造自身的业务，融入智能制造的元素，构建商用航空发动机装配协同平台、敏捷制造平台，建立商用航空发动机智能装配物联网，完成商用航空发动机专业数据库的初步建设，并开展数据挖掘，形成商用航空发动机专业大数据和知识工程，实现基于专业大数据和知识工程的产品设计、智能装配、本位检测，装配动态排产，资源的动态调控，以及制造过程的智能管控，打造商用航空发动机总装智能装配新模式，构建全新的商用航空发动机智能装配环境、流程、标准。提升商用航空发动机装配过程稳定性、一致性，提高管理水平，通过建立工业信息安全系统，保障整体运行的安全，打造商用航空发动机总装智能装配新模式，实现低压涡轮的智能安装。

该项目以商用航空发动机大部件本体装配为实施载体，包括从产品设计/工艺设计/工装准备到装配过程全流程的管控，基于某型号的商用航空发动机低压涡轮对接装配过程：

1）构建低涡大部件智能装配平台。针对商用航空发动机整机装配中低压涡轮的安装过程，建立商用航空发动机装配过程综合受力、多维姿态对接测量、分析、反馈中多维度智能数据采集、分析、控制机制，建立集成传感器、激光对接系统的多维度自适应低压涡轮智能安装设备。

2）进行工业物联网建设，构建敏捷制造平台。实现装配设备，3D打印设备、数控加工设备、物料配送设备在内的异构敏捷制造，达到设备间数据的互联互通，进而实现生产资源的统一调度、动态管控。

3）研究低压涡轮安装产品设计和工艺设计方法，构建设计制造一体化云平台。开展基于工艺知识的商用航空发动机本体装配结构化工艺设计，通过装配过程仿真分析优化装配工艺，提升装配工艺的正确性、可行性和经济性。

4）建立基于RFID的物料智能配送系统，物料的智能配送并具有灵活的可追溯性，改变传统人工配送、单设备加工、人工装配的制造模式，减少生产各环节的浪费。

5）进行基于大数据与知识工程的智能决策分析与优化，建立管控一体化平台。

6）工业信息安全系统。依据ISO27001信息安全管理体系，建立商用航空发动机工业信息安全体系和系统，保障制造平台和数据的安全。

商用航空发动机智能装配新模式总方案

从技术实现层面上看，商用航空发动机智能装配新模式以工业物联网、大数据技术、智能装备为基础，实现物流自动化、装配自适应调整、生产管控智能化，如图所示：

智能分析决策层：运用知识及工具进行优化决策，执行判断。

商用航空发动机装配大数据层：是航空发动机智能装配的大脑，完成信息集成，实现数据与物理对象融合计算，进行数据分类、清洗，按需进行信息分类，形成数据中心知识库。

数据物理交互层：是航空发动机智能装配的中枢神经，包括各种传感器及现场网络的接口和通信控制，实现生产实施信息获取与数据物理交互。

智能设备物理层：是航空发动机智能装配的感官系统，包括生产系统涉及的设备、工装、人员和物流装置等，以及对物理对象进行感知和信息传输的RFID标识工具、传感器和工业物联网等。

航空发动机智能装配新模式建设

下一步智能升级计划

后续商发制造将依据《商发制造智能工厂建设规划方案》这一纲领性文件，同时考虑已开展的智能制造项目，按照“业务导向、顶层规划、项目驱动、整体推进”的建设思路和“统筹规划、协同推进；基础先行、分步实施；开放合作、创新发展”的原则将规划方案逐步落地，预期2025年建成产品全生命周期过程数字化，科研、生产、运营过程管控网络化等特征的航空发动机智能工厂，持续满足顾客需求并实现卓越交付。

智能制造一直是中国制造2025的主攻方向，航空发动机作为飞机制造业皇冠上的明珠，是智能制造最佳工程实践，也代表了一个国家制造业的水平和能力。相信商发制造在智能制造方面的先进实践对于打造“中国心”，实现“中国梦”具有深远的意义。

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【智库声音】空间智能技术发展与应用之智能制造

来源：高端装备产业研究中心

引言

2020年，美国SpaceX公司位于德克萨斯州博卡奇卡(Boca Chica)的星际飞船制造厂引入了一台波士顿动力公司(Boston Dynamics)的四足机器人Spot。对于SpaceX来说，最可能的用途是泄漏检测、热检查、噪音异常检测，以及人类难以触及的仪表读数等。至于SpaceX计划如何使用Spot机器人，还尚无法确定。

智能制造从产品生命周期的角度体现在产品设计智能化、工艺设计智能化、生产过程智能化、检验过程智能化、管理决策智能化，其中涉及诸多技术的应用，包括数字孪生技术、虚拟现实技术、智能装备技术、智能材料技术、机器人技术、人工智能技术等，机器人技术是期中比较典型的一个。在航空航天领域，智能制造除了体现在传统的一智能工厂为核心的产品生命周期的智能化，更是体现在航天领域所特有的在轨制造领域。

一、智能工厂

智能工厂建设是推进智能制造发展的重要抓手和着力点，旨在形成工厂信息物理融合系统，优化生产过程和要素配置，实现智能化生产制造。

1、国外航空航天智能工厂

洛马公司“门廊中心”

洛马公司通过升级改造现有工厂设施或新建工厂等方式，布局智能工厂，推进新一代信息技术、增材制造、智能装备等应用，创新卫星、导弹等武器装备研制生产模式。

洛马公司于2017年8月启动卫星制造“门廊中心”(Gateway Center)智能工厂建设，采用快速可重构数字化生产线，配备满足ISO 8级水平的高空清洁车间、无回声舱室、用于进行卫星动态耐受试验的大型热真空舱室、用于测试传感器和通信系统的消声室，以及先进的测试操作和分析中心，旨在形成敏捷、高效、高精度的大中小多尺度卫星柔性制造能力。工厂采用了功能嵌入式设计，经过价值工程设计，集成工厂制造卫星的最优方法，可将卫星生产流程由以天计算改进至以小时计算。该设施还将寻求认证和安全许可，以便开展国家安全级别的项目。3D打印和虚拟现实被列为额外的技术，将通过提高制造速度和周转时间，以及降低成本来帮助“门廊中心”满足生产需求。

空客未来工厂

2019年初，空客宣布将会投资2500万欧元升级德国慕尼黑建设航天业务基地，其中1500万欧元将会用于现有生产设施的升级改造以及工厂建筑面积扩建，同时还将新引入一条机器人组装线，另外的1000万欧元将会用于扩建集成卫星光学仪器的洁净室。

早在2013年，空客就已经提出了“未来工厂”的建设理念，空客近些年也在研究工业机器人、VR技术、3D打印等前沿制造技术。此前，空客已经在A350 XWB的全生命周期管理进程上应用了虚拟仿真技术，创造的虚拟环境的复杂性和规模也是业界前所未有的，该虚拟环境能够给空客内部以及其供应链上的工程师提供相关项目信息。人机工程分析技术作为该研究的重要组成部分，让操作人员进入虚拟环境，与A350XWB全尺寸3D模型机型交互。

2、国内AIT智能平台

天津大型航天器AIT中心是世界上最大的航天器AIT中心，中心内的AIT智能平台用于大型航天器制造过程中的地面支持。航天器的装配、总装集成、测试试验过程需要通过AIT智能平台来实现，航天器在总装测试厂房内的移动、转移也可以通过AIT智能平台来实现。该平台可划分为主体结构、支架结构、升降系统、全向移动系统和综控系统五部分：

主体结构作为主承力部分，为各功能模块提供集成接口。

支架结构用于与大型航天器直接连接，满足航天器竖直停放的需求。

升降系统用于实现大型航天器高度方向的调节与自动调平。

全向移动系统用于短途移动。

综控系统用于控制平台的升降和移动。

图表：AIT 智能平台整体布局

资料来源：天津航天机电设备研究所

2020年3月，全国首个民企卫星智能AIT中心在浙江台州开工，该项目是吉利科技集团在台州打造的国内首个脉动式模块化卫星智能AIT中心，规划建设卫星研发中心、部组件智造中心、测控中心、云计算大数据平台等设施，借鉴汽车行业先进的总装工艺，打造模块化、柔性化、智能化制造工厂，可以灵活满足不同型号规格的卫星总装与测试。

台州吉利卫星项目智能AIT中心

二、在轨制造

在人类空间活动进行中，装备、材料的的补给是一项关键的制约。受限于航天运载能力，要想突破这一制约需要考虑新的策略。在轨组装技术从分散航天运力的角度解决这一问题;而空间3D打印技术则直接从改变材料需求的角度来解决这一问题。3D打印在空间制造领域的应用优势体现在：为航天器在轨制造替换零件提供坚实的技术支撑，拓展航天器的寿命，节约重复发射的成本;材料的太空再循环利用。

从概念上来讲，在轨制造并非人工智能技术在空间领域的直接应用，但是在轨制造的实施往往依赖于智能装配技术、空间机器人技术、数字孪生技术等做支撑，因而可以视为是人工智能技术在空间领域的综合应用。

1、在轨组装

在轨组装技术的发展历史中，最成功的任务便是国际空间站的组装。该组装过程长达二十年，经历过三十多次的独立组装，在宇航员和远程机械臂的共同努力下，所有模块在空间站中都完成固定。

James-Webb太空望

美国最近研制的James-Webb太空望远搭载了一个6.6m的主光圈，如此巨大太空望远镜很难找到合适的发射器，所以它们只能被折叠放进5米高的发射整流罩，最终在太空中完成组装。NASA从2018年5月开始使用天基构造方法来研究望远镜在轨组装技术，这项研究与多个机构合作以找出巨型望远镜在太空中组装的最佳时间和完善该技术。

因为有机械臂的存在，执行维修和补充燃料任务可以变得非常容易。机械臂在完成任务时会进入休眠阶段，直到望远镜需要进行维修等操作时才会被唤醒。成功发射韦伯太空望远镜后，太空望远镜将结束地面组装的时代，迎来太空组装的新时代，并且随着科技的发展，未来的太空望远镜的体积将会越来越庞大。

AAReST计划

英国萨里大学和美国加州理工学院、印度空间科学与技术学院联合开展了针对太空卫星在轨组装、重构技术的研究，他们计划使用两颗搭载高精度自适应反射镜的3U立方星和一颗15U的主平台卫星实现AAReST(Autonomous Assembly of a Reconfigurable Space Telescope)计划。

AAReST望远镜是一种主聚焦设计(焦距为1.2m，视野为0.3°)，主镜分为一组稀疏孔，稀疏孔由直径10cm的圆形反射镜组成。主镜的组成部分连接到一组Cubesats集群(其中两个能够脱离集群并独立导航)。如下图所示，该望远镜将以收起状态发射，收起体积为0.5m×0.5m×0.6m。与主要有效载荷分离后，望远镜使用可展开的吊杆将其传感器展开到反射镜阵列的焦点。

使用波前传感器，可以调整和校准反射镜，以最小化反射镜的单个点扩展函数(PSF)的大小。在满足初始校准和成像要求后，由配备推进系统的独立Cubesats携带的两个镜面将从镜组中分离出来，执行轨道操纵以将自己重新定位在阵列中的新位置，然后重新定位到集群。这将演示镜面在轨道上的组装。重新组装好仪表组后，将再次执行镜面校准和成像，以显示各种配置下的校准能力。

AAReST发射结构(左)，初始成像结构(中)，第二阶段成像结构(右)

Hive项目

2018年2月，美国航空航天公司(The Aerospace Corp)宣布正在通过Hive项目研究智能单元模块在轨按需自组装成多种航天器平台的可行性。Hive概念由一群小型卫星单元组成，它们不仅可以在太空中形成结构并重新配置自身以完成各种任务，还可以在必要时进行分散。

与乐高积木的组装方式类似，Hive的构造单元是一种智能的、可大量生产的小型卫星装置，可以与其他装置进行连接。每个单元还可以在连接到其他单元的同时进行面旋转，并可以爬过其他单元或在必要时分离。他们还可以根据需要自主地集合、停靠和重新配置自己。

Hive可以更改其配置以执行各种任务，在单元发生故障时，升级也将更加容易，因为出现故障或较旧的Hive单元可以单独更换。而且，如果有接近碎片的空间威胁，Hive可以分散，然后重新组装，或者在威胁过去后改变姿势。由于Hive单元是模块化的，并且每个单元都可以配备特定的功能，因此可以使它们在空间中聚集。因此，有可能在太空中建造非常大的构造物，这些构造物最初可能因为太大而无法通过单个火箭直接运输。

蜂巢单元可以在空间中组装成不同的配置

iBOSS项目

德国宇航局DLR于2010年开始资助iBOSS项目，研究利用在轨服务航天器将智能模块立方体装配成模块化可重构航天器。

iBOSS概念的核心组件称为iSSI(智能空间系统接口)，这是一种多功能的接口。该接口可用于在各个模块，星载部件或有效载荷之间建立机械、数据和能量的连接，从而产生了航空航天应用的第一个USB标准。iBOSS演示了如何从“昂贵、一次性的卫星”转向可维护、可修改且具有成本效益的可回收系统。

基于iBOSS的卫星的概念设计

2、空间3D打印

人类首次空间3D打印

2014年，SpaceX龙飞船将美国Made In Space公司制造的3D打印机AMF(Additive Manufacturing Facility)运抵国际空间站(ISS)，11月17日安装成功，随后地面设计好的工具等模型上传至ISS，打印机开始工作。2015 年2月，这些在太空中制造的产品同样搭乘龙飞船顺利运回地球，随后转送到NASA的马歇尔太空飞行中心(Marshall Space Flight Center)进行后续的测试，以验证在零重力环境下使用3D打印技术制造产品的可行性。2016年，改进后的第二台3D打印机被运至ISS。

宇航员Barry(Butch)Wilmore展示了3D打印扳手

火星沙制成的建筑物

如果人们要生活在火星上，他们将需要一个住所。3D打印是使用机器快速构建结构的好方法，即使在零重力环境下也是如此。但是，从地球上运送所有建筑材料是不可行的。NASA科学家正在研究的更好的选择是使用风化层进行 3D打印。

风化层有点像沙子——数万年的小行星撞击产生的一点碎石。风化层的行为不完全像沙子，需要一些技巧才能使其变成3D可打印形式。

NASA颗粒力学和风化层操作实验室的内森·盖利诺(Nathan Gelino)称，“我们已经证明这是一个可行的概念，现在我们正在对其进行更广泛的研究”。

用风化层和塑料进行3D打印

立方体卫星

欧洲航天局正在使用一种名为PEEK的特殊热塑性塑料对3D打印卫星进行试验。聚醚醚酮(缩写为 PEEK)是用于打印CubeSat的新型且坚固的材料。特殊之处在于，可以将线路打印到CubeSats中，而无需在打印完成后在对这些CubeSats进行布线。

这些示范是ESA的更大计划的一部分，ESA的愿景是制定新的维护策略。空间站的工作人员需要的各种物品目前都需要从地球运输。由于PEEK具有生物相容性，所有这些都可以改为3D打印。这些3D打印物品也可以回收利用，从而为空间可持续性打开了新的大门。

我国首次太空“3D打印”

2020年5月5日，我国新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱发射成功。此次在新一代载人飞船试验船上还搭载了一台“3D打印机”，这是我国首次太空3D打印实验，也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。

科研人员将这台我国自主研制的“复合材料空间3D打印系统”安装在试验船返回舱中。飞行期间，该系统自主完成了连续纤维增强复合材料的样件打印，并验证了微重力环境下复合材料3D打印的科学实验目标。

在轨3D打印进行中

这套复合材料空间3D打印系统出自航天五院529厂。另外，这次长征五号B的任务，还有其他的3D打印任务。为进一步提升制造精度、扩大可用于太空制造的材料谱系，由中科院空间应用中心研究团队研制的“在轨精细成型实验装置”将创新采用立体光刻3D打印技术对金属/陶瓷复合材料进行微米级精度的在轨制造。

中国首次太空3D打印的两个样件

小结

从市场的角度来看，先进制造技术的价值往往体现在降低生产成本或者满足个性化需求。相对其他行业而言，航天制造的生产批量要小得多，因而智能制造对于该行业的价值更多体现在满足个性化需求，这个个性化需求就是面对航天运载限制这个根本性的制约。航天器智能工厂的发展可以参考其他行业智能工厂的经验，在轨制造是对空间智能制造真正的考验。

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